RU2484484C2 - Electric energy consumption determination method - Google Patents

Electric energy consumption determination method Download PDF

Info

Publication number
RU2484484C2
RU2484484C2 RU2011120462/28A RU2011120462A RU2484484C2 RU 2484484 C2 RU2484484 C2 RU 2484484C2 RU 2011120462/28 A RU2011120462/28 A RU 2011120462/28A RU 2011120462 A RU2011120462 A RU 2011120462A RU 2484484 C2 RU2484484 C2 RU 2484484C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
phase angle
sampling frequency
corresponds
vector
Prior art date
Application number
RU2011120462/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011120462A (en
Inventor
Вольфганг ЗАЛЬМУТТЕР
Original Assignee
Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акциенгезелльшафт filed Critical Сименс Акциенгезелльшафт
Publication of RU2011120462A publication Critical patent/RU2011120462A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2484484C2 publication Critical patent/RU2484484C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R22/00Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters
    • G01R22/06Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters by electronic methods
    • G01R22/10Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters by electronic methods using digital techniques
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/25Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
    • G01R19/2506Arrangements for conditioning or analysing measured signals, e.g. for indicating peak values ; Details concerning sampling, digitizing or waveform capturing
    • G01R19/2509Details concerning sampling, digitizing or waveform capturing

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: electric energy consumption determination method includes the following sequence of actions: the signal being measured, that corresponds to the consumer AC and AC voltage, is subjected to integrated Fourier analysis, sampling frequency adjustment to the oscillating grid frequency of the energy distribution grid for which purpose one determines the corresponding principal oscillation vector
Figure 00000024
immediately from two consecutive periods of the signal measured, determines the phase angle (Δφ) confined between the both vectors which angle is applied during sampling frequency adjustment.
EFFECT: ensuring high accuracy of consumed electric energy determination at measurements sampling frequency adjusted to oscillating grid frequency.
2 cl, 2 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к способу определения потребления электрической энергии, которая поставляется в сети распределения энергии потребителю, причем измеренный сигнал, который соответствует переменному напряжению на потребителе, дискретизируется с частотой дискретизации и подвергается комплексному Фурье-анализу, причем частота дискретизации отслеживает колеблющуюся сетевую частоту сети распределения энергии.The invention relates to a method for determining the consumption of electric energy that is supplied to a consumer by the energy distribution network, the measured signal that corresponds to the alternating voltage at the consumer is sampled with a sampling frequency and subjected to a comprehensive Fourier analysis, the sampling frequency tracking the oscillating network frequency of the energy distribution network.

Уровень техникиState of the art

Для измерения электрической энергии, которая поставляется в сети распределения энергии потребителю, в настоящее время наряду с механическими счетчиками энергии все больше используются также электронные счетчики.To measure the electrical energy that is supplied to the consumer by the energy distribution network, electronic meters are increasingly being used along with mechanical energy meters.

Электронный счетчик энергии определяет посредством дискретизации (взятия выборок) измеренного сигнала, который соответствует поданному потребителю переменному напряжению или переменному току, дискретные по времени значения выборок, подвергает их комплексному Фурье-анализу и определяет отсюда, путем перемножения комплексных показателей тока или напряжения, доставленную электрическую мощность или электрическую энергию, причем также принимаются во внимание высшие гармоники в сигнале тока или напряжения.The electronic energy meter determines by sampling (sampling) the measured signal, which corresponds to the alternating voltage or alternating current supplied to the consumer, the time-discrete values of the samples, subjected them to complex Fourier analysis and determines, by multiplying the complex indicators of current or voltage, the delivered electrical power or electrical energy, and higher harmonics in the current or voltage signal are also taken into account.

В сети распределения энергии основная частота или номинальная частота сетевого напряжения имеет заданное значение (в Европе 50 Гц, в США 60 Гц). Однако эта номинальная частота испытывает колебания, в зависимости от предоставляемой на стороне поставщика и текущей принимаемой потребителем электрической мгновенной мощности. При нормальных рабочих условиях посредством норм задается допустимый диапазон колебаний сетевой частоты. Норма EN 50160 предписывает, например, что 10-секундное среднее значение основной частоты в течение всего времени может отклоняться относительно 50 Гц только на 15% вверх или на 15% вниз.In the energy distribution network, the main frequency or the rated frequency of the mains voltage has a predetermined value (in Europe, 50 Hz, in the USA 60 Hz). However, this rated frequency fluctuates, depending on the provided on the supplier's side and the current electrical instantaneous power received by the consumer. Under normal operating conditions, the allowable range of variation of the network frequency is set by means of the norms. The norm EN 50160 prescribes, for example, that a 10-second average value of the fundamental frequency can deviate by only 15% up or 15% down relative to 50 Hz.

Для электронного счетчика энергии это означает, что по меньшей мере в пределах этого заданного диапазона колебаний частота выборок адаптируется к колеблющейся сетевой частоте, то есть должна иметь возможность отслеживания. Только если число моментов выборок по отношению к основному колебанию колеблющейся сетевой частоты может поддерживаться постоянным, предотвращаются так называемые «эффекты утечки» и достигается требуемая точность измерений. При отсутствии синхронизации между частотой дискретизации и текущей сетевой частотой может иметь место недопустимо большая ошибка при определении потребления электрической энергии.For an electronic energy meter, this means that, at least within this given range of oscillations, the sampling frequency adapts to the oscillating network frequency, that is, it must be traceable. Only if the number of sampling times with respect to the main oscillation of the oscillating network frequency can be kept constant, the so-called “leakage effects” are prevented and the required measurement accuracy is achieved. In the absence of synchronization between the sampling frequency and the current network frequency, an unacceptably large error can occur in determining the consumption of electrical energy.

Наряду с постоянными изменениями частоты электронный счетчик энергии должен также отрабатывать скачкообразные изменения частоты, которые возникают, например, при включении счетчика энергии.Along with constant changes in frequency, the electronic energy meter must also work out abrupt frequency changes that occur, for example, when the energy meter is turned on.

Верхний и нижний пределы постоянного или скачкообразного изменения частоты задаются официальной стороной или посредством норм.The upper and lower limits of a constant or spasmodic frequency change are set by the official party or through norms.

Отслеживание частоты дискретизации может, например, быть реализовано таким образом, что частота дискретизации выводится из делителя частоты, и последний непрерывно подстраивается в зависимости от отклонения частоты. Предпосылкой является то, что отклонение частоты является известным. Для того чтобы определить отклонение частоты, известно, что определяются переходы через нуль сетевой частоты либо с помощью аппаратных средств, либо с помощью программного обеспечения.Tracking the sampling frequency can, for example, be implemented in such a way that the sampling frequency is derived from the frequency divider, and the latter is continuously adjusted depending on the frequency deviation. The premise is that the frequency deviation is known. In order to determine the frequency deviation, it is known that the transitions through zero of the network frequency are determined either using hardware or using software.

Но в сети распределения энергии напряжение и ток не являются чисто синусоидальными, а могут содержать высшие гармоники и/или постоянную составляющую.But in the energy distribution network, voltage and current are not purely sinusoidal, but may contain higher harmonics and / or a constant component.

Относительно отслеживания частоты дискретизации как высшие гармоники, так и постоянная составляющая создают помехи, так как они обуславливают затягивание переходов через нуль. Из затянутых переходов через нуль лишь с высокими техническими затратами можно вывести правильную меру такта для дискретизации с достаточной точностью.Regarding the tracking of the sampling frequency, both the higher harmonics and the dc component create interference, since they cause the delay of transitions through zero. From the prolonged zero crossings only with high technical costs it is possible to derive the correct measure of the measure for sampling with sufficient accuracy.

Чтобы в электронном счетчике энергии уменьшить мешающее влияние высших гармоник или постоянной составляющей, известно, что эти помеховые параметры устраняются посредством (относительно крутых) фильтров нижних частот и полосовых фильтров.In order to reduce the interfering influence of higher harmonics or a constant component in an electronic energy meter, it is known that these interference parameters are eliminated by means of (relatively steep) low-pass filters and band-pass filters.

Такие фильтры, которые могут быть реализованы посредством аппаратных средств или программного обеспечения, увеличивают технические затраты и, тем самым, также затраты на изготовление электронного счетчика энергии.Such filters, which can be implemented by hardware or software, increase the technical costs and, therefore, the cost of manufacturing an electronic energy meter.

Представления изобретенияRepresentation of the invention

Задачей предложенного изобретения является предложить способ для определения потребления электрической энергии, при котором по возможности простым способом частота дискретизации может отслеживать колеблющуюся сетевую частоту и может достигаться высокая точность измерений.The objective of the proposed invention is to propose a method for determining the consumption of electric energy, in which, as simple as possible, the sampling frequency can track the oscillating network frequency and high measurement accuracy can be achieved.

Эта задача решается способом с признаками пункта 1 формулы изобретения и электронным счетчиком энергии с признаками пункта 9 формулы изобретения.This problem is solved by a method with the features of paragraph 1 of the claims and an electronic energy meter with the features of paragraph 9 of the claims.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.Preferred embodiments of the invention are defined in the dependent claims.

Согласно основной идее изобретения, в электронном счетчике энергии непрерывно из двух последовательных периодов измеренного сигнала, выведенного из напряжения, определяется разность фаз основного колебания посредством комплексного Фурье-анализа и применяется в качестве тактовой меры при отслеживании частоты дискретизации. Определенная разность фаз, то есть фазовый угол, заключенный между двумя векторами, непосредственно отображает отклонение частоты. Это означает, что если в двух последовательных периодах дискретизируемого измеренного сигнала сетевая частота постоянна, то разность фаз равна нулю. Если, напротив, сетевая частота испытывает колебания, мера этого колебания непосредственно отображается в величине разностного угла между обоими векторами основного колебания измеренной величины. Если величина отклонения частоты однажды установлена, то фазовый угол может быть пересчитан в соответствующее цифровое значение и может подаваться известным образом на делитель частоты, который соответственно подстраивает частоту дискретизации.According to the main idea of the invention, in the electronic energy meter, continuously, from two consecutive periods of the measured signal, derived from the voltage, the phase difference of the main oscillation is determined by means of a complex Fourier analysis and is used as a clock measure to monitor the sampling frequency. A certain phase difference, i.e. a phase angle enclosed between two vectors, directly displays the frequency deviation. This means that if the network frequency is constant in two consecutive periods of the sampled measured signal, then the phase difference is zero. If, on the contrary, the network frequency experiences fluctuations, the measure of this oscillation is directly displayed in the magnitude of the difference angle between the two vectors of the main oscillation of the measured quantity. If the frequency deviation value is once set, then the phase angle can be converted to the corresponding digital value and can be applied in a known manner to the frequency divider, which accordingly adjusts the sampling frequency.

Существенное преимущество соответствующего изобретению способа следует усматривать в том, что алгоритм для определения разности фаз может быть реализован сравнительно просто. Аппаратные средства или программное обеспечение для определения переходов через нуль не требуются. Это упрощает техническую реализацию электронного счетчика энергии.A significant advantage of the method according to the invention should be seen in the fact that the algorithm for determining the phase difference can be implemented relatively simply. No hardware or software is required for determining zero transitions. This simplifies the technical implementation of an electronic energy meter.

Предпочтительные формы выполнения соответствующего изобретению способа применяют для отслеживания частоты дискретизации фазовый угол, который рассчитывается с помощью поясненных далее уравнений (9), (11), (12а) и (12b).Preferred embodiments of the method according to the invention are used to track the sampling frequency, the phase angle, which is calculated using the equations (9), (11), (12a) and (12b) explained below.

Относительно вычислительно-технических затрат может быть выгодным, если при определении разности фаз определяется частное из векторного произведения и скалярного произведения согласно уравнению (9). За счет этого ошибка при определении электрической энергии может поддерживаться очень малой и в том случае, если при вычислении арктангенса применяются известные алгоритмы приближения (разложения в ряд). Как только регулирование «фиксируется», возникают очень малые углы разности фаз, которые и при приближенном вычислении посредством функции арктангенса могут определяться достаточно точно (arctan(x)~x для х<<1, и при этом почти отсутствует неточность вычисления).Regarding the computational and technical costs, it can be advantageous if, when determining the phase difference, the quotient of the vector product and the scalar product is determined according to equation (9). Due to this, the error in determining electric energy can be kept very small even if the known approximation algorithms (series expansion) are used in the calculation of the arc tangent. As soon as the regulation is “fixed”, very small phase difference angles arise, which even with approximate calculation using the arctangent function can be determined quite accurately (arctan (x) ~ x for x << 1, and there is almost no inaccuracy in the calculation).

Если должна допускаться большая ширина колебаний сетевой частоты, может быть благоприятным, если при преобразовании методами вычислительной техники согласно уравнению (9) в знаменателе выполняется формирование суммы, и разность фаз вычисляется согласно уравнению (11). За счет этого увеличивается «область захвата» алгоритма отслеживания.If a large width of the oscillations of the network frequency should be allowed, it can be favorable if, when converting by computer methods according to equation (9), the sum is formed in the denominator and the phase difference is calculated according to equation (11). Due to this, the "capture area" of the tracking algorithm increases.

Чтобы также в случаях, когда сетевая частота изменяется более чем на 25% по отношению к мгновенной частоте, по возможности быстро достичь адаптации, в особом выполнении изобретения предусмотрено различение случаев:So that also in cases where the network frequency changes by more than 25% with respect to the instantaneous frequency, it is possible to quickly achieve adaptation, in a particular embodiment of the invention, a distinction is made between the cases:

- если скалярное произведение отрицательно и определенный фазовый угол больше чем нуль, то тактовая мера для частоты дискретизации определяется согласно уравнению (12а);- if the scalar product is negative and a certain phase angle is greater than zero, then the clock measure for the sampling frequency is determined according to equation (12a);

- если скалярное произведение отрицательно и определенный фазовый угол меньше чем нуль, то тактовая мера для частоты дискретизации определяется согласно уравнению (12b). Это сокращает время выполнения алгоритма отслеживания и, тем самым, время для коррекции частоты дискретизации.- if the scalar product is negative and a certain phase angle is less than zero, then the clock measure for the sampling frequency is determined according to equation (12b). This reduces the execution time of the tracking algorithm and, therefore, the time to correct the sampling frequency.

Особенно благоприятное выполнение соответствующего изобретению способа может отличаться тем, что частота дискретизации выводится из делителя частоты, и перед этим делителем частоты включен предварительный делитель, причем на предварительный делитель непрерывно подается цифровой параметр, который соответствует разности фаз, и при этом данный параметр согласуется с диапазоном колебания +/-19% номинальной частоты.A particularly favorable embodiment of the method according to the invention may differ in that the sampling frequency is output from the frequency divider, and a pre-divider is included before this frequency divider, and a digital parameter that corresponds to the phase difference is continuously fed to the pre-divider, and this parameter is consistent with the range +/- 19% of the rated frequency.

Особенно благоприятное соотношение между вычислительно-техническими затратами, скоростью вычислений и точностью измерений можно достичь за счет того, что период измеренного сигнала дискретизируется с 256 дискретными значениями.A particularly favorable correlation between computational and technical costs, computation speed and measurement accuracy can be achieved due to the fact that the period of the measured signal is sampled with 256 discrete values.

Особенно благоприятным является, если при отслеживании частоты дискретизации перекрывается больший диапазон колебаний изменения сетевой частоты, чем предусмотрено нормой. Поэтому особое выполнение изобретения отличается тем, что определенный в соответствии с изобретением фазовый угол ограничивается диапазоном колебаний +/-19% сетевой частоты относительно сетевой частоты, соответствующей сети распределения энергии. Это эквивалентно резерву при подстройке частоты дискретизации.It is especially favorable if, when monitoring the sampling frequency, a larger range of fluctuations in the variation of the network frequency is covered than is provided for by the norm. Therefore, a particular embodiment of the invention is characterized in that the phase angle determined in accordance with the invention is limited by the oscillation range of +/- 19% of the network frequency relative to the network frequency corresponding to the energy distribution network. This is equivalent to reserve when tuning the sampling rate.

Электронный счетчик энергии, который оснащен вычислительным устройством, на котором реализован программный код согласно способу, соответствующему изобретению, может изготавливаться сравнительно просто. Тем самым можно с хорошей точностью и в течение длительного срока службы надежно измерять электрическую энергию, поставляемую потребителю.An electronic energy meter that is equipped with a computing device that implements program code according to the method of the invention can be manufactured relatively simply. Thus, it is possible with good accuracy and over a long service life to reliably measure the electrical energy supplied to the consumer.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Для дальнейшего пояснения изобретения далее даются ссылки на чертежи, на которых представлены другие предпочтительные формы выполнения, детали и дальнейшее развитие изобретения и на которых показано следующее:For further explanation of the invention, reference is now made to the drawings, in which other preferred forms of execution, details and further development of the invention are presented and which show the following:

фиг.1 - векторное представление основного колебания измеренного сигнала в двух последовательных периодах, причем измеренный сигнал соответствует напряжению потребителя в сети распределения энергии, и причем согласно изобретению фазовый угол, заключенный между векторам (разность фаз), используется для настройки частоты дискретизации на колеблющуюся сетевую частоту;figure 1 is a vector representation of the main oscillations of the measured signal in two consecutive periods, and the measured signal corresponds to the voltage of the consumer in the energy distribution network, and moreover, according to the invention, the phase angle enclosed between the vectors (phase difference) is used to adjust the sampling frequency to an oscillating network frequency ;

фиг.2 - диаграмма, на которой разность фаз изображена по отношению к сетевой частоте, причем наглядно представлены различные варианты соответствующего изобретению определения фазового угла посредством поля характеристик, и причем выбран случай номинальной сетевой частоты 50 Гц.figure 2 is a diagram in which the phase difference is shown in relation to the network frequency, and various variants of determining the phase angle according to the invention by means of the characteristic field are clearly illustrated, and the case of the nominal network frequency of 50 Hz is selected.

Выполнение изобретенияThe implementation of the invention

Как уже отмечено выше, требуемая точность электронного счетчика энергии может достигаться только тем, что число точек дискретизации по отношению к основному колебанию поддерживается постоянным, так как иначе за счет так называемого «эффекта утечки» возникли бы неточности измерения. Иными словами, частота дискретизации должна синхронизироваться с фактической сетевой частотой, то есть методами регулирования подстраиваться (подстройка частоты). Обычно для этой подстройки частоты применяется устанавливаемый с помощью программного обеспечения делитель частоты, выходная частота которого служит в качестве частоты дискретизации, и коэффициент деления обеспечивает возможность соответствующей точной юстировки частоты дискретизации. Электронный счетчик энергии определяет потребление энергии путем дискретизации и Фурье-анализа. Если мгновенная сетевая частота и частота дискретизации незначительно рассогласованы, то это сказывается на Фурье-анализе таким образом, что векторы основного колебания двух последовательных периодов поворачиваются противоположно друг другу (см. фиг.1). Фазовый угол Δφ между обоими векторами предоставляет при этом непосредственный критерий для длительности периода и, тем самым, для актуальной сетевой частоты. Предложенное изобретение использует этот эффект и применяет фазовый угол для подстройки частоты дискретизации. Так как фазовый угол получается из дискретного комплексного преобразования Фурье, то он далее также упоминается как DFT фазовый угол.As already noted above, the required accuracy of an electronic energy meter can be achieved only by the fact that the number of sampling points with respect to the main oscillation is kept constant, because otherwise, due to the so-called “leakage effect”, measurement inaccuracies would occur. In other words, the sampling frequency should be synchronized with the actual network frequency, that is, it will be tuned by regulation methods (frequency tuning). Typically, a software-defined frequency divider is used for this frequency adjustment, the output frequency of which serves as the sampling frequency, and the division coefficient allows for proper fine-tuning of the sampling frequency. An electronic energy meter determines energy consumption by sampling and Fourier analysis. If the instantaneous network frequency and the sampling frequency are slightly inconsistent, this affects the Fourier analysis in such a way that the vectors of the main oscillation of two consecutive periods rotate opposite to each other (see figure 1). The phase angle Δφ between both vectors provides an immediate criterion for the duration of the period and, therefore, for the current network frequency. The proposed invention uses this effect and applies a phase angle to fine-tune the sampling frequency. Since the phase angle is obtained from the discrete complex Fourier transform, it is hereinafter also referred to as the DFT phase angle.

С точки зрения техники регулирования DFT фазовый угол представляет собой отклонение регулируемой величины. Текущая сетевая частота может рассматриваться как задающий параметр. В качестве управляющего параметра функционирует поданное на делитель частоты цифровое значение с (предварительного) делителя.From the point of view of the DFT control technique, the phase angle is the deviation of the controlled variable. The current network frequency can be considered as a setting parameter. The digital value supplied to the frequency divider from the (preliminary) divider functions as a control parameter.

Прежде чем более подробно пояснять различные выполнения соответствующего изобретению способа на основе моделирования, будут представлены математические основы.Before explaining in more detail the various implementations of the method according to the invention based on modeling, mathematical principles will be presented.

Фиг.1 показывает представление комплексной плоскости с двумя векторами U a , U n

Figure 00000001
. Оба вектора U a
Figure 00000002
и U n
Figure 00000003
являются результатом комплексного Фурье-анализа двух последовательных периодов измеренного сигнала, выведенного из сетевого напряжения. Вектор с индексом а обозначает при этом ранее дискретизированный период измеренного сигнала, а вектор с индексом n обозначает текущий дискретизированный период. Оба вектора непрерывно определяются из дискретизированных значений посредством Фурье-анализа.Figure 1 shows a representation of a complex plane with two vectors U a , U n
Figure 00000001
. Both vectors U a
Figure 00000002
and U n
Figure 00000003
are the result of a comprehensive Fourier analysis of two consecutive periods of the measured signal derived from the mains voltage. The vector with index a denotes the previously sampled period of the measured signal, and the vector with index n denotes the current sampled period. Both vectors are continuously determined from discretized values by Fourier analysis.

Уравнения (1) и (2) показывают математическую взаимосвязь для определения действительной части aa,n и мнимой части ba,n комплексного вектора основного колебания и колебания высшей гармоники.Equations (1) and (2) show the mathematical relationship to determine the real part a a, n and the imaginary part b a, n of the complex vector of the fundamental oscillation and the higher harmonic.

Figure 00000004
Figure 00000004
(1)(one) (2)(2)

Для основного колебания справедливо k=1.For the main oscillation, k = 1.

Из действительной и мнимой части этих векторов можно известным способом и соответственно уравнениям (3) и (4) получить амплитудную информацию и фазовую информацию измеряемого сигнала (ток или напряжение)From the real and imaginary parts of these vectors, it is possible to obtain the amplitude information and phase information of the measured signal (current or voltage) in a known manner and respectively to equations (3) and (4)

Figure 00000005
Figure 00000005
(3)(3) (4)(four)

Из уравнения (4) можно вычислить фазовый угол из отдельных углов векторов. Но так это является затратным с точки зрения вычислительной техники, не в последнюю очередь из-за разложения в ряд функции арктангенса, в изобретении выбран другой путь.From equation (4), the phase angle can be calculated from the individual angles of the vectors. But this is so costly from the point of view of computer technology, not least because of the decomposition of the arc tangent function in a series, the invention has chosen a different path.

В уравнении (5) синус фазового угла Δφ представлен как векторное произведение (×)In equation (5), the sine of the phase angle Δφ is represented as the vector product (×)

Figure 00000006
Figure 00000006
(5)(5)

В уравнении (6) косинус фазового угла Δφ представлен как скалярное произведение (о)In equation (6), the cosine of the phase angle Δφ is represented as the scalar product ( o )

Figure 00000007
Figure 00000007
(6)(6)

Из (5) и (6) следует тангенс фазового угла Δφ как частное векторного произведения и скалярного произведенияFrom (5) and (6) it follows the tangent of the phase angle Δφ as a quotient of the vector product and the scalar product

Figure 00000008
Figure 00000008
(7)(7)

Исходя из этих математических основ, соответствующий изобретению способ описан ниже более подробно с помощью моделирования.Based on these mathematical foundations, the method according to the invention is described in more detail below using simulation.

На фиг.2 представлена разность фаз (в радианах) в зависимости от сетевой частоты (в Гц). По оси абсцисс представлен диапазон колебания сетевой частоты от 30 Гц до 70 Гц; характеристики 2, 3 и 4 наглядно представляют в этой области различные реализации изобретения.Figure 2 presents the phase difference (in radians) depending on the network frequency (in Hz). The abscissa represents the range of variation of the network frequency from 30 Hz to 70 Hz; characteristics 2, 3 and 4 clearly represent various implementations of the invention in this area.

Если сетевая частота отклоняется от номинальной сетевой частоты внутри показанного на фиг.2 диапазона колебания (от 30 Гц до 70 Гц), то это отклонение выражается как разность фаз между векторами, что показано в «идеализированном» представлении характеристикой 1. «Идеализированное» потому, что характеристика 1 отражает реальное отклонение фазы; его можно получить путем вычисления или точного измерения переходов через нуль. Характеристика 1 может рассматриваться как указание заданного значения для алгоритма подстройки частоты дискретизации к колеблющейся сетевой частоте.If the network frequency deviates from the nominal network frequency within the oscillation range shown in FIG. 2 (from 30 Hz to 70 Hz), then this deviation is expressed as the phase difference between the vectors, which is shown in the “idealized” representation by characteristic 1. “Idealized” because that characteristic 1 reflects the actual phase deviation; it can be obtained by calculating or accurately measuring zero transitions. Characteristic 1 can be considered as an indication of a given value for the algorithm for adjusting the sampling frequency to an oscillating network frequency.

По сравнению с характеристикой 1, характеристики 2, 3 и 4 показывают различные характеристики изменения фазового угла, которые были получены путем моделирования соответствующих изобретению алгоритмов (уравнение 9, 11, 12а и 12b) для определения фазового угла.Compared to characteristic 1, characteristics 2, 3 and 4 show various characteristics of the phase angle change, which were obtained by modeling the algorithms of the invention (equation 9, 11, 12a and 12b) to determine the phase angle.

При моделировании применяется, например, частота дискретизации 12,8 кГц; это означает 256 дискретных значений за период. Частота дискретизации выводится с делителя частоты. Входная частота делителя частоты составляет 133,3248 МГц (номинальный коэффициент деления 10,416), так что при изменении коэффициента деления возможно очень точное ступенчатое изменение частоты дискретизации (в области 0,01%). На практике оказалось, что приведенные выше значения примера выполнения представляют хороший компромисс между точностью при измерении энергии и эффективностью используемых вычислительно-технических ресурсов.When modeling, for example, a sampling frequency of 12.8 kHz is used; this means 256 discrete values per period. The sampling rate is output from the frequency divider. The input frequency of the frequency divider is 133.3248 MHz (nominal division ratio 10.416), so that when changing the division coefficient a very accurate stepwise change in the sampling frequency is possible (in the range of 0.01%). In practice, it turned out that the above values of the exemplary embodiment represent a good compromise between the accuracy in measuring energy and the efficiency of the used computing and technical resources.

Как можно видеть из фиг.2, в области малых отклонений частоты (т.е. в области номинальной частоты 50 Гц) каждая из определенных в соответствии с изобретением характеристик DFT фазового угла (характеристики 2, 3 и 4) дает результат, совпадающий с характеристикой 1. Однако существенное преимущество изобретения следует усматривать в том, что результаты 2, 3 и 4 могут быть достигнуты при сравнительно весьма незначительных программно-технических затратах.As can be seen from FIG. 2, in the region of small frequency deviations (i.e., in the region of the nominal frequency of 50 Hz), each of the phase angle DFT characteristics determined in accordance with the invention (characteristics 2, 3 and 4) gives a result that matches the characteristic 1. However, a significant advantage of the invention should be seen in the fact that the results 2, 3 and 4 can be achieved with a relatively very small software and hardware costs.

Из уравнения (7) получают фазовый угол Δφ согласно соотношениюFrom equation (7), the phase angle Δφ is obtained according to the relation

Figure 00000009
Figure 00000009
(8)(8)

Согласно предпочтительному выполнению изобретения, фазовый угол Δφ вычисляется согласно следующему уравнению (9)According to a preferred embodiment of the invention, the phase angle Δφ is calculated according to the following equation (9)

Figure 00000010
Figure 00000010
(9)(9)

Моделирование этого вычисления представлено на фиг.2 с помощью характеристики 2.A simulation of this calculation is shown in FIG. 2 using characteristic 2.

При этом при вычислении длины интервала INT в дуговой мере применяется следующее уравнение (10):In this case, when calculating the length of the INT interval, the following equation (10) is applied in an arc measure:

Figure 00000011
Figure 00000011
(10)(10)

Если между обоими рассматриваемыми периодами измеренного сигнала сетевая частота не изменяется, то длина интервала равна 2π, так как фазовый угол Δφ равен нулю. Напротив, если сетевая частота колеблется, то фазовый угол Δφ не равен нулю, и на делитель частоты подается соответствующее длине интервала цифровое значение для выработки новой (подстроенной) частоты дискретизации.If the network frequency does not change between both periods of the measured signal, then the length of the interval is 2π, since the phase angle Δφ is zero. On the contrary, if the network frequency fluctuates, then the phase angle Δφ is not equal to zero, and a digital value corresponding to the interval length is supplied to the frequency divider to generate a new (tuned) sampling frequency.

В пределах диапазона колебания от 40 Гц до 65 Гц моделированная характеристика в значительной степени соответствует реальной характеристике 1. Вне этой области от 40 Гц до 65 Гц в общем случае это выполнение соответствующего изобретению алгоритма согласно уравнению (9) перестает действовать. Причина заключается в том, что при вычислении фазового угла Δφ при скачке сетевой частоты, который соответствует скачку фазы более π/2, возникает смена знака DFT фазового угла (как видно из фиг.2, характеристика 2, для случая, когда сетевая частота меньше 40 Гц, регулирование было бы неправильным в направлении более высоких частот; соответствующее справедливо для подлежащей регулированию сетевой частоты больше 65 Гц). Изобретение решает эту проблему тем, что уравнение (9) модифицируется таким образом, что вместо скалярного произведения обоих векторов применяется абсолютная величина скалярного произведения (уравнение 11)Within the range of oscillations from 40 Hz to 65 Hz, the simulated characteristic largely corresponds to the real characteristic 1. Outside this region from 40 Hz to 65 Hz, in the general case, this execution of the algorithm according to the invention according to equation (9) ceases to work. The reason is that when calculating the phase angle Δφ when the network frequency jump, which corresponds to a phase jump of more than π / 2, the sign of the phase angle DFT changes (as can be seen from figure 2, characteristic 2, for the case when the network frequency is less than 40 Hz, the regulation would be incorrect in the direction of higher frequencies; the corresponding is true for the network frequency to be regulated greater than 65 Hz). The invention solves this problem by the fact that equation (9) is modified so that instead of the scalar product of both vectors, the absolute value of the scalar product is applied (equation 11)

Figure 00000012
Figure 00000012
(11)(eleven)

За счет этой меры может быть реализована расширенная область захвата при подстройке частоты дискретизации (частотной подстройке), которая соответствует схеме фазового следящего контура. На фиг.2 этот результат моделирования представлен характеристикой 3.Due to this measure, an extended capture region can be realized when tuning the sampling frequency (frequency tuning), which corresponds to the phase tracking circuit. 2, this simulation result is represented by characteristic 3.

Как можно видеть из этой характеристики 3 на фиг.2, вне области, которая соответствует скачку фазы по абсолютной величине больше π/2, DFT фазовый угол Δφmod1 хотя и имеется теперь с правильным знаком, однако теперь имеет противоположно направленную характеристику (характеристика 3 спадает для частот ниже 40 Гц и возрастает для частот выше 65 Гц, эти области можно распознать по отрицательному знаку скалярного произведения).As can be seen from this characteristic 3 in Fig. 2, outside the region that corresponds to a phase jump in absolute value greater than π / 2, the DFT phase angle Δφ mod1, although it now has the correct sign, now has an opposite directional characteristic (characteristic 3 decreases for frequencies below 40 Hz and increases for frequencies above 65 Hz, these areas can be recognized by the negative sign of the scalar product).

Улучшение скорости адаптации соответствующего изобретению способа может быть достигнуто тем, что используется различение случаев, и вычисленный DFT фазовый угол Δφmod1, в соответствии с его знаком, вычитается из +π или -π.An improvement in the adaptation speed of the method according to the invention can be achieved by using case discrimination, and the calculated DFT phase angle Δφ mod1 , in accordance with its sign, is subtracted from + π or -π.

Это различение случаев выражено в уравнениях (12а) и (12b) следующим образом:This distinction is expressed in equations (12a) and (12b) as follows:

Figure 00000013
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000014

С помощью этого особенно предпочтительного варианта изобретения (Δφmod2) можно достичь наилучшего результата. Как легко видеть из фиг.2, характеристика 4, вычисленная с помощью уравнения (12а) или (12b), проходит ближе всего к идеальной характеристике (характеристика подстройки 1).With this particularly preferred embodiment of the invention (Δφ mod2 ), the best result can be achieved. As can be easily seen from FIG. 2, characteristic 4 calculated using equation (12a) or (12b) is closest to the ideal characteristic (tuning characteristic 1).

Как упомянуто выше, согласно норме EN 50160, требуется отработка отклонения частоты +/-15% от номинального значения 50 Гц, то есть от 42,5 Гц до 57,5 Гц.As mentioned above, according to EN 50160, a frequency deviation of +/- 15% from the nominal value of 50 Hz, i.e. from 42.5 Hz to 57.5 Hz, is required.

Однако предпочтительным является, если в частотной подстройке реализован резерв, и перекрывается рабочий диапазон +/-19% (то есть от 40,5 Гц до 59,5 Гц).However, it is preferable if the reserve is implemented in the frequency adjustment and the operating range of +/- 19% is closed (i.e., from 40.5 Hz to 59.5 Hz).

Техническая предпосылка для установления этих нижнего предела и верхнего предела состоит в следующем: теоретическая граница этого алгоритма регулирования при скачках частоты лежит при +/-50% по отношению к мгновенной частоте. Это обусловлено тем, что с этой границы и при вычислении DFT угла разности фаз согласно уравнению (11) или уравнениям (12а) и (12b) происходило бы обращение знака. Если, например, при включении электронного счетчика энергии текущая частота составляла бы 30 Гц, то следовало бы отработать скачок частоты с 50 Гц (начальная частота алгоритма регулирования после разгона) до 30 Гц. Возможно "отрегулирование" (доведение ошибки до нуля или до минимума) этого скачка (-40% относительно 50 Гц). Если бы затем снова возник обратный скачок от 30 Гц до 50 Гц, то алгоритм в общем случае перестал бы работать, так как это отклонение составляет более чем 50% относительно 30 Гц. Однако вышеназванные границы гарантируют то, что при возврате в «рабочую область» подстройка осуществляется без проблем, а именно независимо от того, какое значение частота имела до этого, а также независимо от того, куда выполняется скачок. В предложенном примере при скачке на 30 Гц регулирование остановилось бы на нижней границе 40,5 Гц, но обратный скачок на 50 Гц не создает проблем (даже был бы возможен скачок на верхнюю границу). Границы выбирались таким образом, что при скачке снизу вверх (это критический скачок с более высоким процентным отклонением, чем снизу вверх) отклонение относительно нижней частоты составляло менее 50%.The technical prerequisite for establishing these lower limit and upper limit is as follows: the theoretical boundary of this control algorithm for frequency jumps lies at +/- 50% with respect to the instantaneous frequency. This is due to the fact that from this boundary and when calculating the DFT angle of the phase difference according to equation (11) or equations (12a) and (12b), the sign would reverse. If, for example, when the electronic energy meter were turned on, the current frequency would be 30 Hz, then we should work out a frequency jump from 50 Hz (the initial frequency of the control algorithm after acceleration) to 30 Hz. Perhaps "adjustment" (bringing the error to zero or to a minimum) of this jump (-40% relative to 50 Hz). If then a backward jump from 30 Hz to 50 Hz occurred again, then the algorithm would generally stop working, since this deviation is more than 50% relative to 30 Hz. However, the above-mentioned boundaries guarantee that upon returning to the “work area” the adjustment is carried out without problems, namely, regardless of what value the frequency had before, and also regardless of where the jump is performed. In the proposed example, at a jump of 30 Hz, control would stop at the lower limit of 40.5 Hz, but a reverse jump of 50 Hz does not cause problems (even a jump to the upper limit would be possible). The boundaries were chosen in such a way that when jumping from the bottom up (this is a critical jump with a higher percentage deviation than from the bottom up), the deviation from the lower frequency was less than 50%.

Как уже упомянуто выше, фиг.2 показывает случай номинальной сетевой частоты 50 Гц. В случае, когда сетевая частота уходит от этой номинальной сетевой частоты, например, до 45 Гц, тактовая частота приводится на эту новую «целевую частоту» 45 Гц. Как только этот процесс подстройки (подрегулирования) завершается, фиг.2 следует считывать таким образом, что на оси абсцисс точка пересечения с характеристиками 1-4 уже не соответствует 50 Гц, а соответствует 45 Гц. Аналогичное условие справедливо, разумеется, если в дальнейшем процессе сетевая частота отклоняется также от этого нового значения 45 Гц. Иными словами, если сетевая частота непрерывно колеблется, абсциссу на фиг.2 необходимо непрерывно вновь масштабировать.As already mentioned above, FIG. 2 shows a case of a nominal network frequency of 50 Hz. In the case where the network frequency deviates from this nominal network frequency, for example, up to 45 Hz, the clock frequency is brought to this new “target frequency” of 45 Hz. As soon as this process of adjustment (adjustment) is completed, figure 2 should be read in such a way that on the abscissa the intersection point with characteristics 1-4 no longer corresponds to 50 Hz, but corresponds to 45 Hz. A similar condition is true, of course, if in the further process the network frequency deviates also from this new value of 45 Hz. In other words, if the network frequency continuously fluctuates, the abscissa in FIG. 2 needs to be continuously scaled again.

Обозначение применяемых ссылочных позицийDesignation of reference numbers used

1 - реальная («идеализированная») характеристика (подстройки), заданная частота1 - real ("idealized") characteristic (adjustment), a given frequency

2 - характеристика согласно уравнению (9)2 - characteristic according to equation (9)

3 - характеристика согласно уравнению (11)3 - characteristic according to equation (11)

4 - характеристика согласно уравнению (12а) и (12b)4 - characteristic according to equations (12a) and (12b)

Claims (9)

1. Способ определения потребления электрической энергии, которая поставляется в сети распределения энергии потребителю, причем измеренный сигнал, который соответствует переменному напряжению на потребителе, дискретизируется с частотой дискретизации и подвергается комплексному Фурье-анализу, причем частоту дискретизации подстраивают под колеблющуюся сетевую частоту сети распределения энергии, при этом непрерывно определяют из двух последовательных периодов измеренного сигнала соответствующий вектор
Figure 00000015
основного колебания, определяют заключенный между обоими векторами фазовый угол Δφ и используют фазовый угол при подстройке частоты дискретизации.
1. A method for determining the consumption of electrical energy, which is supplied to the consumer by the energy distribution network, the measured signal that corresponds to the alternating voltage at the consumer is sampled with a sampling frequency and subjected to complex Fourier analysis, the sampling frequency being adjusted to the oscillating network frequency of the energy distribution network, at the same time, the corresponding vector is continuously determined from two consecutive periods of the measured signal
Figure 00000015
the main oscillation, determine the phase angle Δφ enclosed between both vectors and use the phase angle when adjusting the sampling frequency.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используемый при подстройке фазовый угол Δφ определяют согласно соотношению:
Figure 00000016

где
aa - действительная часть первого вектора
Figure 00000017
,
ba - мнимая часть первого вектора
Figure 00000018
,
an - действительная часть второго вектора
Figure 00000019
,
bn - мнимая часть второго вектора
Figure 00000020
,
2. The method according to claim 1, characterized in that the phase angle Δφ used in the adjustment is determined according to the ratio:
Figure 00000016

Where
a a is the real part of the first vector
Figure 00000017
,
b a - imaginary part of the first vector
Figure 00000018
,
a n is the real part of the second vector
Figure 00000019
,
b n is the imaginary part of the second vector
Figure 00000020
,
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при подстройке используют фазовый угол Δφmod1, определяемый согласно соотношению:
Figure 00000021
3. The method according to claim 2, characterized in that when adjusting use the phase angle Δφ mod1 , determined according to the ratio:
Figure 00000021
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для случая скачка частоты, который соответствует скачку фазы более +π/2, при подстройке используют фазовый угол Δφmod2, определяемый согласно соотношению:
Figure 00000022
4. The method according to claim 3, characterized in that for the case of a frequency jump that corresponds to a phase jump of more than + π / 2, when adjusting, use the phase angle Δφ mod2 , determined according to the ratio:
Figure 00000022
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что для случая скачка частоты, который соответствует скачку фазы менее -π/2, при подстройке используют фазовый угол Δφmod2, определяемый согласно соотношению:
Figure 00000023
5. The method according to claim 3, characterized in that for the case of a frequency jump that corresponds to a phase jump of less than -π / 2, when adjusting, the phase angle Δφ mod2 is used , which is determined according to the ratio:
Figure 00000023
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что частота дискретизации вырабатывается делителем частоты, причем перед делителем частоты включен предварительный делитель, на который подается цифровое значение, которое соответствует определенному фазовому углу.6. The method according to claim 5, characterized in that the sampling frequency is generated by a frequency divider, with a preliminary divider included in front of the frequency divider, to which a digital value is applied that corresponds to a certain phase angle. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что период измеренного сигнала дискретизируют с 256 дискретными значениями.7. The method according to claim 6, characterized in that the period of the measured signal is sampled with 256 discrete values. 8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что фазовый угол ограничивают диапазоном колебаний, который соответствует отклонению +/-19% сетевой частоты, сопоставленной с сетью распределения энергии.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the phase angle is limited by an oscillation range that corresponds to a deviation of +/- 19% of the network frequency associated with the energy distribution network. 9. Электронный счетчик электрической энергии, который содержит вычислительное устройство, которое выполнено с возможностью осуществления способа по любому из пп.1-8. 9. An electronic meter of electrical energy, which contains a computing device that is configured to implement the method according to any one of claims 1 to 8.
RU2011120462/28A 2008-10-23 2008-10-23 Electric energy consumption determination method RU2484484C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2008/064371 WO2010045978A1 (en) 2008-10-23 2008-10-23 Method for detecting the consumption of electrical energy

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011120462A RU2011120462A (en) 2012-11-27
RU2484484C2 true RU2484484C2 (en) 2013-06-10

Family

ID=40909932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011120462/28A RU2484484C2 (en) 2008-10-23 2008-10-23 Electric energy consumption determination method

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2340439B1 (en)
RU (1) RU2484484C2 (en)
WO (1) WO2010045978A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014015127A1 (en) * 2014-10-14 2016-04-14 Sonovum AG Phase detection method based on a plurality of successive values of a received signal
CN111273168B (en) * 2018-12-05 2022-05-13 北京金风科创风电设备有限公司 Current control method, device and circuit for valve section test loop

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4715000A (en) * 1985-08-06 1987-12-22 General Electric Company Digital phase-locked loop and frequency measuring device
RU2139547C1 (en) * 1994-01-12 1999-10-10 Сентро Де Пескизас Де Энержиа Элетрика-Сепел Process measuring consumption of electric energy from network and electronic electricity meter
US6185508B1 (en) * 1994-12-30 2001-02-06 Power Measurement, Ltd. Power meter for determining parameters of multi-phase power lines
US20060139031A1 (en) * 2004-12-23 2006-06-29 David Kalokitis Sensor for sensing an electric field
US20070262768A1 (en) * 2006-05-05 2007-11-15 Elster Electricity Llc Fractional sampling of electrical energy

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4547726A (en) 1983-08-01 1985-10-15 General Electric Company Means and method for measuring power system frequency

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4715000A (en) * 1985-08-06 1987-12-22 General Electric Company Digital phase-locked loop and frequency measuring device
RU2139547C1 (en) * 1994-01-12 1999-10-10 Сентро Де Пескизас Де Энержиа Элетрика-Сепел Process measuring consumption of electric energy from network and electronic electricity meter
US6185508B1 (en) * 1994-12-30 2001-02-06 Power Measurement, Ltd. Power meter for determining parameters of multi-phase power lines
US20060139031A1 (en) * 2004-12-23 2006-06-29 David Kalokitis Sensor for sensing an electric field
US20070262768A1 (en) * 2006-05-05 2007-11-15 Elster Electricity Llc Fractional sampling of electrical energy

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011120462A (en) 2012-11-27
EP2340439B1 (en) 2013-07-17
EP2340439A1 (en) 2011-07-06
WO2010045978A1 (en) 2010-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Orallo et al. Harmonics measurement with a modulated sliding discrete Fourier transform algorithm
EP2201390B1 (en) Method and apparatus for monitoring power transmission
KR100687230B1 (en) Real time clock apparatus and the real time compensating method thereof
EP2741092B1 (en) Estimating an electricity supply&#39;s fundamental frequency
CN104035329B (en) Automatic vibration calibration method
CN107589299B (en) Electric power signal synchronous phasor measuring method based on multi-frequency the measures model
US10228401B2 (en) Oscillation analysis method and apparatus therefor
RU2240567C2 (en) Method and system for measuring electrical parameters dependent on frequency
US20130320852A1 (en) Phase difference detector, phase difference detection program, and plasma processing system using the phase difference detector
US6130531A (en) Phase angle measurement method and system in electric power systems
US20190363543A1 (en) Adaptive voltage control of distributed energy resources
JP5000441B2 (en) Power measuring method and power measuring apparatus
RU2484484C2 (en) Electric energy consumption determination method
WO2014060065A2 (en) Electrical inverter and method of operation
US20050201130A1 (en) Compensation method for a voltage unbalance
CN102170143A (en) Microcomputer automatic quasi-synchronization paralleling realization method
CN104020350B (en) A kind of voltage fundamental component detection method overcoming frequency to perturb
KR20020083613A (en) Apparatus and method for parameter presumption of induction motor
CN100382431C (en) Double correction software phase-lock loop implementation method
KR20150015200A (en) Device for measuring frequency of power based on zero-crossing and method for measuring frequency of power based on zero-crossing
CN107255745A (en) Voltage measurement method, device, storage medium and its computer equipment
CN109254251B (en) Battery impedance measuring device, method and chip
JP2005269757A (en) Inverter
CN110879356B (en) Oscillation energy calculation method suitable for disturbance source positioning of generator control system
Zhmud et al. Modern ways of high-precision frequency measurements

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161024